קטגוריות: מאמרים מוצגים » עובדות מעניינות
מספר צפיות: 36129
הערות לכתבה: 9
היסטוריה של טרנזיסטור
נחשבת אחת ההמצאות המשמעותיות של המאה ה- XX המצאת טרנזיסטורשבאו להחליף את המנורות האלקטרוניות.
במשך תקופה ארוכה מנורות היו המרכיב הפעיל היחיד בכל המכשירים האלקטרוניים, למרות שהיו להם חסרונות רבים. ראשית כל, מדובר בצריכת חשמל גדולה, בממדים גדולים, בחיים קצרים ובחוזק מכני נמוך. החסרונות הללו הורגשו בצורה חדה יותר ויותר עם השיפור והתחכום של ציוד אלקטרוני.
מהפכה מהפכנית בהנדסת הרדיו התחוללה כאשר הוחלפו מנורות מיושנות במכשירי הגברה מוליכים למחצה - טרנזיסטורים, נטולי כל החסרונות שהוזכרו.
הטרנזיסטור הראשון להפעלה נולד בשנת 1947, הודות למאמצי עובדי החברה המעבדתית האמריקאית בל טלפון. שמותיהם ידועים כיום ברחבי העולם. מדענים אלה הם הפיזיקאים וו. שוקלי, ד. ברדין וו. ברייטן. כבר בשנת 1956, שלושתם זכו בפרס נובל לפיזיקה על המצאה זו.
אבל כמו הרבה המצאות גדולות, הטרנזיסטור לא הורגש מייד. רק באחד העיתונים האמריקאים הוזכר שמעבדות הטלפון של בל הדגימו את המכשיר שלה שנקרא טרנזיסטור. נאמר גם כי ניתן להשתמש בו באזורים מסוימים בהנדסת חשמל במקום צינורות אלקטרונים.
הטרנזיסטור שהוצג היה בצורת גליל מתכת קטן באורך 13 מ"מ והודגם במקלט שלא היו לו צינורות אלקטרונים. לכל השאר טענה החברה כי ניתן להשתמש במכשיר לא רק להגברה, אלא גם ליצירת או חשמל להמרה.
איור. 1. הטרנזיסטור הראשון
איור. 2. ג'ון ברדין, וויליאם שוקלי וולטר בראטיין. לשיתוף פעולה בפיתוח הטרנזיסטור המבצעי הראשון בעולם בשנת 1948, הם חלקו את פרס נובל משנת 1956.
אך יכולותיו של הטרנזיסטור, כמו אכן, של הרבה תגליות גדולות אחרות, לא הובנו ומוערכים מייד. כדי לעורר עניין במכשיר החדש, בל פרסמה אותו בתקיפות בסמינרים וכתבות, והעניק לכולם רישיון לייצר אותו.
יצרני מנורות אלקטרוניות לא ראו מתחרה רציני בטרנזיסטור, מכיוון שלא היה אפשר בבת אחת, במכה אחת, להוזיל את ההיסטוריה בת השלושים שנה לייצור מנורות של כמה מאות עיצובים, והשקעות של מיליוני דולרים בפיתוחן ובייצורן. לכן הטרנזיסטור נכנס לאלקטרוניקה לא כל כך מהר, מכיוון שעידן צינורות האלקטרונים עדיין נמשך.
איור. 3. טרנזיסטור ומנורה אלקטרונית
צעדים ראשונים למוליכים למחצה
מאז ימי קדם נעשה שימוש בעיקר בשני סוגים של חומרים בהנדסת חשמל - מוליכים ודיאלקטרים (מבודדים). למתכות, תמיסות מלח וכמה גזים יש יכולת להוביל זרם. יכולת זו נובעת מנוכחותם במוליכים של נשאי מטען בחינם - אלקטרונים. במוליכים אלקטרונים מנותקים די בקלות מהאטום, אך אותן מתכות בעלות עמידות נמוכה (נחושת, אלומיניום, כסף, זהב) מתאימות ביותר להעברת אנרגיה חשמלית.
מבודדים כוללים חומרים עם עמידות גבוהה, האלקטרונים שלהם קשורים מאוד לאטום. אלה חרסינה, זכוכית, גומי, קרמיקה, פלסטיק. לפיכך, אין חיובים בחינם אלה ולכן אין זרם חשמלי.
ראוי לזכור את הנוסח מספרי הלימוד של הפיזיקה כי זרם חשמלי הוא התנועה הכוונתית של חלקיקים טעונים חשמליים תחת השפעת שדה חשמלי. בבידוד, פשוט אין מה לנוע תחת השפעת שדה חשמלי.
עם זאת, בתהליך חקר תופעות חשמל בחומרים שונים, כמה חוקרים הצליחו "להרגיש" בגלל השפעות מוליכים למחצה.לדוגמא, הגלאי הגבישי הראשון (דיודה) נוצר בשנת 1874 על ידי הפיזיקאי הגרמני קארל פרדיננד בראון על בסיס מגע של עופרת ופיריט. (פיריט הוא פיריט ברזל; כשהוא מכה בכסא, מתנצל ניצוץ, וזו הסיבה שהוא קיבל את השם מה"משתה "היווני - אש). בהמשך, גלאי זה החליף בהצלחה את הקוהרטר במקלטים הראשונים, מה שהגדיל משמעותית את הרגישות שלהם.
בשנת 1907, בדקר, שבחן את המוליכות של נחושת יוד, מצא כי המוליכות שלו עולה פי 24 בנוכחות טומאת יוד, אם כי יוד עצמה אינה מוליכה. אך כל אלה היו תגליות אקראיות שלא ניתן היה לתת להם הצדקה מדעית. מחקר שיטתי של מוליכים למחצה החל רק בשנת 1920 - 1930 שנה.
תרומה רבה לחקר המוליכים למחצה הועברה על ידי מדען סובייטי במעבדת הרדיו המפורסמת ניז'ני נובגורוד O.V. לוסב. הוא נפל בהיסטוריה בעיקר כממציא הקריסטדין (מתנד ומגבר מבוסס על דיודה) ונורית לד. ראה עוד על זה כאן: היסטוריה של נוריות LED. זוהר של לוסב.
עם שחר הייצור הטרנזיסטור היה המוליכים למחצה העיקרי גרמניום (Ge). מבחינת צריכת אנרגיה, הוא חסכוני מאוד, המתח לפתיחת צומת ה- pn שלו הוא רק 0.1 ... 0.3V, אך פרמטרים רבים אינם יציבים, כך שהסיליקון (Si) הגיע להחליף אותו.
הטמפרטורה בה פועלים טרנזיסטורים גרמניום אינו עולה על 60 מעלות ואילו טרנזיסטורים סיליקון יכולים להמשיך לפעול במהירות 150. הסיליקון, כמוליך למחצה, עולה על גרמניום בתכונות אחרות, בעיקר בתדירות.
בנוסף, עתודות הסיליקון (חול רגיל בחוף הים) בטבע אינן מוגבלות, והטכנולוגיה לניקוי ועיבודו היא פשוטה וזולה יותר מאלמנט הטבע הנדיר של גרמניום. טרנזיסטור הסיליקון הראשון הופיע זמן קצר לאחר הטרנזיסטור הגרמניום הראשון - בשנת 1954. אירוע זה אפילו כלל שם חדש "עידן הסיליקון", שלא להתבלבל עם האבן!
איור. 4. התפתחות טרנזיסטורים
מעבדים ומוליכים למחצה. שקיעה בעידן הסיליקון
האם תהית אי פעם מדוע לאחרונה כמעט כל המחשבים הפכו ללעביים? המונחים כפול ליבות או ארבע ליבות משותפים לכולם. העובדה היא שהגידול בביצועי המעבד על ידי הגדלת תדר השעון והגדלת מספר הטרנזיסטורים בחבילה אחת, עבור מבני סיליקון כמעט קרוב לגבול.
עלייה במספר המוליכים למחצה בדיור אחד מושגת על ידי צמצום הממדים הפיזיים שלהם. בשנת 2011 INTEL כבר פיתחה טכנולוגיית תהליכים של 32 ננומטר בה אורך ערוץ הטרנזיסטור הוא 20 ננומטר בלבד. עם זאת, ירידה כזו אינה מביאה לעלייה ניכרת בתדר השעון, מכיוון שזה היה עד 90 ננומטר טכנולוגיה. ברור שהגיע הזמן לעבור למשהו חדש במהותו.
איור. 5. היסטוריה של טרנזיסטורים
גרפן - מוליכים למחצה של העתיד
בשנת 2004 גילו פיזיקאים חומר מוליכים למחצה חדש. גרפן. המועמד העיקרי הזה להחלפת סיליקון הוא גם חומר בקבוצת הפחמן. על בסיסו נוצר טרנזיסטור הפועל בשלושה מצבים שונים.
איור. 6. גרפן
איור. 7. תמונה של טרנזיסטור גרפן שדה המתקבל באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה
בהשוואה לטכנולוגיות הקיימות, הדבר יאפשר הפחתת מספר הטרנזיסטורים במקרה אחד בשלוש פעמים בדיוק. בנוסף, על פי מדענים, תדרי ההפעלה של חומר המוליכים למחצה החדש יכולים להגיע עד 1000 ג'יגה הרץ. הפרמטרים כמובן מאוד מפתים, אך עד כה המוליכים למחצה החדש נמצא בשלב הפיתוח והלימוד, והסיליקון הוא עדיין סוס עבודה. גילו טרם הסתיים.
בוריס אלאדישקין
ראה גם באתר elektrohomepro.com
: